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压缩空气(空压机)系统节能教科书式讲解

日期:2020/06/11 09:30

  压缩空气系统组成

  压缩空气系统的有哪些部件组成呢?小编带大家来解剖分析一下吧~首先说一下它的组成成分:气源、输送管网和用气末端设备三大部分组成了压缩空气系统的主躯干。

  其中,气源一般为空压站,内含空压机、干燥机、储气罐和净化过滤装置(除油、除尘等)。压缩空气系统示意图如下。

  

 

  (空气压缩机系统示意图)

  压缩空气系统工作原理

  知道压缩空气系统的组成部分之后,我们来了解一下它们各自的功能。

  空压机

  目前工矿企业常用的空压机多为双螺杆式,空压机主要有以下系统组成:空气流程系统、润滑油流程系统、冷却系统、安全保护系统、控制系统及电气线路,如图所示:

  

 

  (空压机工作原理示意图)

  干燥净化装置(后处理设备)

  干燥净化装置的作用是对空压机排出的压缩空气进行净化:干燥(除水)、过滤(除油、除尘等)。通常设备有干燥机(冷冻式干燥机、吸附式干燥机等)、过滤器等。

  

 

  输送管网

  输送管网的作用是将气源(空压站)产生压缩空气利用自身的压力送至用气终端,输送管网含管道、阀门、仪表和过滤装置,管道一般采用金属管道。

  用气末端系统

  包含用气支管阀门、分气筒、仪表和末端过滤器等,管道压缩空气经末端进入用气设备或系统。

  压缩空气系统低效运行原因

  大量数据表明,压缩空气系统主要费用都耗费在运行环节上,在其生命周期中,运行费用(电费)占比高达78~92%。因此,如何通过精细化管理,对能耗深入挖潜,提高能源使用效率,是每个企业都要面临的一个课题。对此,根据项目工程经验,发现大部分压缩空气系统运行能耗高的主要原因如下:

  设备效率低

  很多年前配置的空压机大多属于低能效设备,与终端等设备匹配不合理,仅仅为了满足生产的基本需求;空压机调节方式落后、无集中控制,用气量随机变化时,空压机因卸载而浪费严重;末端设备用气不合理、效率低,设备用气存在浪费。

  供气压力不合理

  没有对供气压力进行分级规划,而是简单采用高压供气外加机械自力式减压阀来满足不同的压力需求,大量的能源浪费在阀门上。此外,当需求侧用气量变化引起管网压力的随机波动,为了避免机组的频繁启停,需要设定一个很宽的压力变化范围,造成空压机出口压力的大幅波动,增加了空压系统的运行能耗。

  能源浪费的原因

  ☀空载能耗高

  目前多数企业压缩机为单台N立方,压缩机开停只有N或N的倍数,空压机设备开停依赖人工管理。

  尤其在用气负载频繁变化时,系统不能快速反应,也不能实现压缩机排量的微调,这形成了空压站各空压机的空载。空压机空载时的能耗高达其满载运行时的40%~70%。

  ☀爬升能耗高

  螺杆压缩机有两种运行模式:加、卸载运行模式或空载、满载运行模式。

  加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在低工作压力值(即能够保证用户正常工作的低压力-加载压力)和高工作压力(卸载压力)之间运行。压差一般在1bar以上。通过理论计算和实际检测,得知空压机压力每增加1公斤,能耗增加4-8%。

  ☀传统管理方式

  在空压站的使用管理过程中,存在两种不可避免的矛盾:

  一种是企业对空压机管理人员有明确的考核,那么会出现气压经常不够或能少开就少开的习惯,不利于生产线的正常运行,或出现压力达不到设备使用要求导致用气终端故障增加。

  一种是对空压机管理人员没有明确的考核,这就会导致空压机多开、空压站空载能耗高的结果。无论哪种管理模式,其结果都会是空压站电能浪费增大,而且不利于安全生产。

  压缩空气系统节能手段

  空压机节能

  空压机是压缩空气系统中能耗高的设备,占总系统能耗的90%以上,因此空压机的节能至关重要,以下为常用的空压机节能技术。

  高效机组替代

  一般情况下,在压缩空气的节能改造过程中,出于成本的考虑,不会采用空压机替代的方案,但在特点的场合,如空压机运行周期过长(8年),能耗明显增加,维修费用明显增加的情况下,可以考虑进行高效空压机替代。

  近两年,国内各大空压机厂商先后推出了永磁变频空压机、两级压缩空压机,一级能效压缩机等,对于空压机的能效提升、电耗降低,市场用户给予了极高的赞誉。

  机组合理搭配

  空压机的合理配置及合理运行对节省用电非常重要。机组选型一般设计负荷除以台数来确定,如机组台数过少,当在低负荷时,通过主机调节不能满足机组高效运行,或者导致机组频繁加减机和加卸载时,可以考虑增设一套变流量的小机组,增加负荷的可调性。同时尽量使得各机组在高效去运行。其中变容量多为螺杆式。

  另外,由于管道压力损失不确定,设备启动存在流量高峰等原因,压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2MPa~0.3MPa。而末端设备每提高0.1MPa,压缩机的耗电就提高4%~8%,造成了巨大的能源浪费。有时也会为了少数几台压力要求高的设备,而整个调高供气的压力,这在能源使用配置上极其不合理,非明智之举。

  空压机变频运行

  空压机主要的能量浪费为卸载能耗(工频机),卸载时电机空转,不产气。这种方式在没有供气的情况下也仍需消耗40%~70%额定功率的电力,浪费非常严重。

  另外工频空压机在部分负荷运行时,还容易出现频繁的加载、卸载循环交替过程,不仅浪费了能耗,还使得供气压力波动,也使电机和压缩机产生交替疲劳,影响使用寿命。

  因此,对于中低负载的空压机进行变频改造,可大大的削减卸载时间,极大的减少卸载电耗。空压机变频改造以不改变原有系统为前提,对压缩机进行变频升级,采用先进的矢量控制技术,结合 PID 算法,对压缩机进行精确控制。变频改造出节能以外,尚有以下优点:

  ►延长主电机轴承使用寿命;

  ►延长机头使用寿命,延长皮带或弹性联轴器使用寿命;

  ►延长冷却油的使用寿命。

  因此,在实际的节能改造工程中,对中低负载的对空压机进行变频改造是理想的节能措施。

  机组联动控制 变频改造可以很好地消除单台空压机的空载,但对于多台空压机组成的供气系统,从平衡系统负荷的角度来讲,对每台空压机都进行变频改造既无必要,也不经济。因此,确保工频空压和变频空压机的协调运行的机组联动控制至关重要。

  联控系统主要的功能可以实现空压机机组(包括每台空压机的后处理设备)的联锁控制,能根据总管压力和空压机的运行状态智能地加卸载对应的空压机等以保证管网的供气稳定和能耗低。联动控制+单机变频可大程度的消除系统卸载能耗。

  干燥机节能

  对于普通的冷冻式干燥机,耗电不耗气,因其电耗占系统电耗的5%左右,一般在节能改造过程中很少涉及,除非设备老旧运行效果差时,才考虑以高效设备进行替代。

  吸附式干燥机耗电、耗气。无热再生型和微热再生型耗气量都在10%以上,极大的浪费了能源。推荐采用余热再生型干燥机进行替代,余热再生型耗气量不高于2%。

  管道节能

  管道节能来自两部分:一是降低管道压损,通过降低空压的排气压力从而降低空压电耗,通常情况下,排气压力降低0.1MPa,空压机可节能6%~7%;二是杜绝管网泄漏。管网泄漏在老旧的管网中普遍存在。在泄露问题上,工厂中的泄露量通常占供气量的10%~30%,而管理不善的工厂甚至可能高达 50%。有时一个汽车组装车间的泄漏点就有2万个,其中,泄露量的90%以上来自设备使用中的零部件老化或破损。

  而尤为严重的是,现场管理人员远远地低估了泄漏造成的损失。以1mm直径的管道腐蚀小孔为例,在0.7MPa工作压力下,一年浪费的电费约为4000元。

  普通的碳钢管道压损较大,且随着年头的增多,腐蚀造成的泄漏现象严重,因此属于不节能管道。而新型的铝合金快速管道,阻力小,耐腐蚀,无焊缝不易泄露,且施工快速,获得了越来越多应用,因此在节能改过程中推荐采用铝合金快速管道替代老旧的碳钢管道。管道节能在压缩空气系统节能工程中越来越受重视,应用越来越多。

  用气末端节能

  用气末端节能来自两部分,一是管理节能,对于人工控制启停的吹扫等用气,做到使用打开,不用及时关闭等,杜绝浪费;二是替换低效喷嘴或其它用气设备,提高气体利用率。该部分在节能改造中一般不受重视,除非用气企业有强烈的节能意识才注重末端节能。

  用余热回收节能

  空气在压缩过程中,90%以上的电能转化为热量散出,在工程中,可回收利用的热能不小于空压机电耗70%,余热回收的能量相当可观。回收的热量可用于生活用热、锅炉给水预热、工艺加热、采暖用热等多种场合。余热回收可降低空压机排气温度、延长空压机使用寿命,延长冷却油的使用周期等诸多优点。在节能工程中应用较多。

  

 

  (压机余热回收装置及系统示意图)

  压缩空气系统节能解决方案

  实际的节能改造工程中,主要针对空压机、干燥机和管道部分进行节能改造,用户末端系统很少涉及。一般的节能改造,主要对空压站和输送管网部分进行,节能目标如下:☞ 稳定供气压力、减少管网压力波动和确定合理的供气压力。☞ 压缩空气供需匹配,尽量减少空压机卸载时间。☞ 空压机余热回收利用。☞ 降低干燥机再生耗气。⚠️注意啦:为实现上述目标,需配置一定的硬件和自动控制措施。

  ☀数据采集与布点对压缩空气系统进行用电和运行参数的采集,这是节能分析和节能改造的基础。

  ☀数据采集数据(如下图):

 

 

  ☀节能分析与诊断通过对监测的数据进行分析,计算各种评价指标,并结合运行规律和设备基础资料等,可对压缩空气系统和其中的设备进行能效评价。

  ☀节能改造措施介绍☞ 压缩空气系统的节能改造通常以设备的改造(硬件)和系统运行优化控制(软件)相结合的方式进行,力求以小的投入产生大的节能效益。

  ☞ 设备改造通常空压机变频改造、增加余热利用系统和节能管道替换为主。

  ☞ 系统运行优化控制主要是采用联动控制系统。

  ☀节能改造所需硬件配置变频器:变频器为调速的主要设备,多台空压机时,通常只需对其中的一台进行变频改造即可。

  测量仪表:测量仪表用于采集运行参数,为调节之依据。常用仪表为三线多功能电表、温度表、压力表、流量表,上述仪表均应为远传型。

  余热回收系统:含油/水板换,循环泵、蓄水箱、管路和控制系统等。

  结束语

  空压机行业这些年高速发展,市场用户对设备的选型及使用维护却没有足够的专业认知,90%的企业依然使用着不达标的压缩空气。因此,为了帮助用户提高能源利用效率,降低能耗,节能服务企业要从技术节能和管理节能等多种节能手段上寻求突破,根据用户不同需求提供多层次的定制性服务。